KR101042236B1 - Connection-assured communication of wireless sensors - Google Patents

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KR101042236B1
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이완연
김경훈
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경상대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A connection-assured communication of wireless sensors is provided to secure connection time and maximize the communication amount per hour. CONSTITUTION: A number of communication available packets of a start node searched edge is changed by the predetermined value(S140). A maximum algorithm is applied about residual graph(S150). All available routes between receiving nodes and source nodes are searched. The residual graph is created by removing the searched route. The transmitting node and an unused edge which connects the receiving nodes repeat the previous process until the unused edge does not exist. The total traffic paths between the transmitting nodes and the receiving nodes are calculated(S160).

Description

연결시간 보장 무선 센서 통신 방법{CONNECTION-ASSURED COMMUNICATION OF WIRELESS SENSORS}CONNECTION-ASSURED COMMUNICATION OF WIRELESS SENSORS}

본 발명은 무선 센서의 통신 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리에 의해 동작하는 무선 센서 네트워크에서 배터리 소진으로 인해서 발생하는 통신장애를 방지하도록 연결 시간을 보장하면서 단위 시간당 전송되는 통신량을 최대화하는 연결시간 보장 무선 센서 통신 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a communication method of a wireless sensor, and more particularly, in a wireless sensor network operated by a battery, a connection for maximizing the amount of communication transmitted per unit time while ensuring a connection time to prevent communication failure caused by battery exhaustion. A method of guaranteeing time-sensitive wireless sensor communication.

무선 센서 네트워크(wireless sensor network)는 군사용 감시 장치, 재난 예측용 장치, 기타 환경 감시 장치 등의 분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 무선 센서 네트워크는 일반적으로 배터리에 의해 동작하게 되는데, 동작 성능의 악화 없이 에너지 소비를 단순히 감소시키는 것만으로 요구되는 시간까지 시스템이 동작하는 것이 반드시 보장되는 것은 아니다. 애드혹 네트워크(ad-hoc network)에서의 필수 노드(essential node)가 에너지 부족으로 작동하지 않게 되면 다른 루트가 없기 때문에 네트워크의 연결성(connectivity)은 파괴될 것이다. Wireless sensor networks are widely used in military surveillance devices, disaster prediction devices, and other environmental monitoring devices. Such wireless sensor networks are generally powered by batteries, which do not necessarily guarantee that the system will operate until the required time simply by reducing energy consumption without degrading operating performance. If an essential node in an ad-hoc network becomes inoperative due to lack of energy, the connectivity of the network will be destroyed because there is no other route.

한편, 종래 기술로서, 제한된 배터리 조건하에서 요구되는 통신 성능을 만족하면서 무선 센서 네트워크의 잔여 통신 시간을 최대화하기 위한 여러가지 라우팅(routing) 방안이 제시되고 있다. 그러나 이러한 라우팅 방안들은 네트워크의 잔여 통신 시간을 예측할 수 없고 단지 네트워크의 잔여 통신 시간의 감소를 최소화할 수 있는 라우팅 경로를 찾는 것에 불과하기 때문에 주어진 시간동안의 통신 연결성을 보장해 주지 못한다. 성능 레벨을 그대로 유지하면서 네트워크의 잔여 통신 시간을 최대화하는 것은 배터리 에너지의 소모로 인한 예측불가능한 통신 장애를 야기할 수 있다. 한편, 단일 배터리를 가진 단일 시스템에서 잔여 동작 시간을 보장하면서 동작 성능을 최대화하는 방법이 제시되어 있으나 이러한 방법은 다수의 배터리를 가진 복수의 무선 센서 노드로 구성된 시스템에는 적용할 수 없다. 또한, 무선 센서들의 잔여 통신 시간을 최대화하는 방법으로서 주어진 단위 시간당 통신량을 만족하면서 잔여 통신 시간을 최대화하는 방법이 제안되어 있으나 이 또한 잔여 통신 시간을 계산하지 못하기 때문에 잔여 통신 시간을 보장할 수 없다는 한계가 있다.
Meanwhile, as the related art, various routing methods have been proposed to maximize the remaining communication time of the wireless sensor network while satisfying the communication performance required under limited battery conditions. However, these routing schemes do not guarantee the communication connectivity for a given time because they cannot predict the remaining communication time of the network and merely find a routing path that can minimize the reduction of the remaining communication time of the network. Maximizing the remaining communication time of the network while maintaining the performance level can cause unpredictable communication failure due to the consumption of battery energy. On the other hand, a method of maximizing operation performance while ensuring the remaining operation time in a single system with a single battery is proposed, but this method is not applicable to a system composed of a plurality of wireless sensor nodes having a plurality of batteries. In addition, as a method of maximizing the remaining communication time of the wireless sensors, a method of maximizing the remaining communication time while satisfying a given communication amount per unit time has been proposed, but this also cannot guarantee the remaining communication time because it cannot calculate the remaining communication time. There is a limit.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리에 의해 동작하는 무선 센서 네트워크에서 배터리 소진으로 인해서 발생하는 통신장애를 방지하도록 연결 시간을 보장하면서 단위 시간당 전송되는 통신량을 최대화하는 연결시간 보장 무선 센서 통신 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention is to solve the above problems, guaranteeing the connection time to maximize the amount of communication transmitted per unit time while ensuring the connection time to prevent communication failure caused by battery exhaustion in the wireless sensor network operated by the battery An object of the present invention is to provide a wireless sensor communication method.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 복수개의 무선 센서로 구성된 무선 센서 네트워크에서 연결시간을 보장하면서 패킷을 전송하기 위한 무선 센서 통신 방법에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크의 각각의 무선 센서들을 노드로 하고, 서로 연결이 가능한 노드들 사이에서 통신 가능 거리(r1, r2,...,rk)에 기초한 경로를 rx 엣지로 하고, 각 노드들에 대해 통신 가능 패킷 수를 커패시티로 하는 노드 커패시티 그래프를 형성하는 제1 단계; 상기 형성된 노드 커패시티 그래프를 엣지 커패시티 그래프로 변환하는 제2 단계; 상기 엣지 커패시티 그래프에서 r1 엣지만으로 구성된 그래프를 생성하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 생성된 그래프에 대하여 최대 흐름 알고리듬을 적용하여 송신 노드와 수신 노드들 사이의 가능한 모든 경로를 찾고 찾은 경로를 제거하여 잔여 그래프를 생성하는 제4 단계; 상기 잔여 그래프에 대해서 송신 노드와 수신 노드들 사이를 연결하는 아직 사용하지 않은 rx 엣지를 통신 거리(r2,r3,...,rk) 순서로 찾고, 찾아진 rx 엣지의 시작 노드의 통신 가능 패킷수를 px 값에 따라 변경하는 제5 단계-여기서, px는 통신 거리 rx에서 패킷을 전송할 때의 에너지 소모율임-; 상기 잔여 그래프에 대해서 다시 최대 흐름 알고리듬을 적용하여 송신 노드와 수신 노드들 사이의 가능한 모든 경로를 찾고 찾은 경로를 제거하여 다시 잔여 그래프를 생성하는 제6 단계; 및 송신 노드와 수신 노드간을 연결하는 아직 사용하지 않은 엣지가 더 이상 없을 때까지 상기 제5 단계와 제6 단계를 반복한 후, 찾아진 송신 노드와 수신 노드간의 전체 경로 통신량을 산출하는 제7 단계를 포함하는 연결시간 보장 무선 센서 통신 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a wireless sensor communication method for transmitting a packet while ensuring a connection time in a wireless sensor network consisting of a plurality of wireless sensors, each of the wireless sensors of the wireless sensor network The node, the path based on the communication distance (r 1 , r 2 , ..., r k ) between the nodes that can be connected to each other is r x edge, and the number of communication packets can be increased for each node. Forming a node capacity graph with a city; Converting the formed node capacity graph into an edge capacity graph; Generating a graph consisting of only r 1 edges from the edge capacity graph; A fourth step of applying the maximum flow algorithm to the graph generated in the third step to find all possible paths between the transmitting node and the receiving node and removing the found paths to generate a residual graph; For the remaining graph, the unused r x edges connecting between the transmitting node and the receiving nodes are found in the order of communication distance (r 2 , r 3 , ..., r k ), and the start of the found r x edge a fifth step of changing in accordance with the number of the communicable nodes in packets of p x values, where, p x is being energy consumption when transmitting a packet in a communication distance r x -; A sixth step of applying the maximum flow algorithm to the residual graph again to find all possible paths between the transmitting node and the receiving nodes, and removing the found paths to generate the residual graph again; And a seventh step of calculating the total path communication volume between the found transmitting node and the receiving node after repeating the fifth and sixth steps until there are no more unused edges connecting the transmitting node and the receiving node. It provides a connection time guaranteed wireless sensor communication method comprising the step.

여기에서, 상기 제7 단계 이후, 상기 전체 경로 통신량을 주어진 통신 시간(T)로 나눔으로써 단위 시간당 전송 패킷수를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, after the seventh step, the method may further include calculating the number of transmission packets per unit time by dividing the total path communication amount by a given communication time T.

또한, 상기 제1 단계에서 통신 거리(r1, r2,...,rk)는 r1<r2<...<rk이고, 통신 거리 rx에서 패킷을 전송할 때의 에너지 소모율인 px는 p1<p2<p3.....<pk일 수 있다.In addition, in the first step, the communication distances r 1 , r 2 ,..., R k are r 1 <r 2 <... <r k , and the energy consumption rate when transmitting packets at the communication distance r x . P x may be p 1 <p 2 <p 3 ..... <p k .

또한, 상기 제4 단계에서 찾은 경로를 제거한 경우 상기 송신 노드와 수신 노드는 단절될 수 있다.In addition, when the path found in the fourth step is removed, the transmitting node and the receiving node may be disconnected.

또한, 상기 제5 단계에서 상기 변경되는 통신 가능 패킷수(Cf)는 Cf/α(여기서, α는 rx -1의 에너지 소비율에 대한 rx의 에너지 소비율의 정규화 상수임)에 의하여 변경될 수 있다.
In addition, in the fifth step, the changed number of communicable packets C f is changed by C f / α (where α is a normalization constant of the energy consumption rate of r x with respect to the energy consumption rate of r x −1 ). Can be.

본 발명에 의하면, 배터리에 의해 동작하는 무선 센서 네트워크에서 배터리 소진으로 인해서 발생하는 통신장애를 방지하도록 연결 시간을 보장하면서 단위 시간당 전송되는 통신량을 최대화하는 연결시간 보장 무선 센서 통신 방법을 제공할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to provide a connection time guaranteed wireless sensor communication method for maximizing the amount of communication transmitted per unit time while ensuring a connection time to prevent communication failure caused by battery exhaustion in a wireless sensor network operated by a battery. .

도 1은 Vs={n1,n2}, Vi={n3,n4,n5,n6,n7}, nt=ns인 센서 네트워크에 대한 그래프 모델이다.
도 2는 본 발명에 의한 무선 센서 통신 방법의 일실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 종래의 최대 흐름 알고리듬을 나타낸 것이다.
도 4는 노드 커패서티 비방향성 그래프를 엣지 커패서티 방향성 그래프로 변환하는 규칙을 나타낸 도면이다.
도 5는 흐름 변화의 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 흐름 업데이트 알고리듬을 나타낸 도면이다.
도 7은 노드 커패시티 비방향성 그래프를 엣지 커패시티 방향성 그래프로 변환한 일예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 방법에 의한 동작 예를 나타낸 도면이다.
1 is a graph model for a sensor network with V s = {n 1 , n 2 }, V i = {n 3 , n 4 , n 5 , n 6 , n 7 }, n t = n s .
2 is a flowchart illustrating an embodiment of a wireless sensor communication method according to the present invention.
3 shows a conventional maximum flow algorithm.
4 is a diagram illustrating a rule for converting a node capacitive non-directional graph into an edge capacitive directional graph.
5 is a diagram illustrating an example of a flow change.
6 illustrates a flow update algorithm.
7 is a diagram illustrating an example of converting a node capacity non-directional graph into an edge capacity directional graph.
8 is a view showing an example of operation by the method according to the present invention.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 상세하게 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 다수의 배터리들에 의해서 동작하는 무선 센서 네트워크 환경에서 주어진 잔여 통신 시간을 보장하면서 통신 성능을 최대화(통신 성능 감소를 최소화)할 수 있는 다대일(many-to-one) 통신 방법을 제공하기 위한 것으로서, 우선 본 발명이 적용되는 무선 센서 네트워크에 대하여 다음과 같이 정의한다. 본 발명이 적용되는 무선 센서 네트워크는 N개의 센서 노드(sensor node)에 의해 구성되며, 각각의 센서 노드들은 다음과 같은 성질을 갖는다.The present invention provides a many-to-one communication method capable of maximizing communication performance (minimizing communication performance reduction) while ensuring a given remaining communication time in a wireless sensor network environment operated by a plurality of batteries. To do this, first, the wireless sensor network to which the present invention is applied will be defined as follows. The wireless sensor network to which the present invention is applied is configured by N sensor nodes, and each sensor node has the following properties.

1. 대부분의 센서 노드들은 2차원 평면상에서 밀집하여 센서 네트워크를 형성하고 모든 센서 노드들은 무선이며 고정되어 있다.Most sensor nodes are clustered in a two-dimensional plane to form a sensor network, and all sensor nodes are wireless and fixed.

2. 센서 노드의 에너지 용량은 충전될 수 없다.2. The energy capacity of the sensor node cannot be charged.

3. 센서 노드들의 위치와 잔여 배터리 에너지량은 알려져 있다.3. The location of the sensor nodes and the amount of remaining battery energy are known.

4. 모든 센서 노드들은 k개의 통신 거리(transmission ranges)(r1, r2,......, rk)를 가지며, 이 중에서 어느 하나의 통신 거리를 선택하며, 짧은 통신 거리가 먼 통신 거리에 비하여 에너지를 덜 소모한다(통신거리에 따른 에너지 소모율 : p1<p2<p3.....<pk). 4. All sensor nodes have k transmission ranges (r 1 , r 2 , ......, r k ), select any one of them, and short distance It consumes less energy than the communication distance (energy consumption rate according to the communication distance: p 1 <p 2 <p 3 ..... <p k ).

5. 하나의 베이스 노드가 존재하며 이를 터미널 노드(terminal node)라 한다.5. One base node exists and is called the terminal node.

6. 센서 노드들의 부분 집합들을 송신 노드(sender node)라고 하며, 송신 노드들은 환경 정보를 수집하고 데이터 패킷을 주기적으로 생성한다. 다른 센서 노드들은 중간 노드(intermediate node)라고 하며 이들은 데이터 패킷을 이웃 노드들을 통해 터미널 노드로 중계한다. 6. Subsets of sensor nodes are called sender nodes, which collect environmental information and periodically generate data packets. Other sensor nodes are called intermediate nodes and they relay data packets through neighboring nodes to terminal nodes.

이러한 조건하에서 이루어지는 무선 센서들로 구성된 네트워크는 비방향성 그래프(undirected graph) G={V,E}(여기에서, V는 노드들의 집합, E는 비방향성 엣지(undirected edge)들의 집합임)로 모델링될 수 있다. 각각의 노드 n은 무선 센서를 나타낸다(V={n1,n2,n3,...,nN}). 터미널 노드는 nt로 나타내며 송신 노드들의 집합은 Vs로 나타내고 중간 노드들의 집합은 Vi로 나타낸다. 그러면 V=Vs∪Vi∪{nt}가 된다. 각각의 엣지 e는 센서 노드들의 쌍 사이에서는 경유 가능한 통신 링크(viable communication link)를 나타낸다. 노드 nu와 nv 사이의 거리가 통신 거리(transmission range) r1보다 크지 않은 경우 비방향성 엣지 e1 {u,v}(또는 e1 {v,u})가 노드 nu와 nv 사이에서 형성된다. 노드 nu와 nv 사이의 거리가 통신 거리(transmission range) r1보다 크고 r2보다 작은 경우 비방향성 엣지 e2 {u,v}(또는 e2 {v,u})가 노드 nu와 nv 사이에서 형성된다. r1에 대해 형성된 엣지는 r1 엣지라고 하며 r2에 대해 형성된 엣지는 r2 엣지라고 한다. 도 1은 Vs={n1,n2}, Vi={n3,n4,n5,n6,n7}, nt=ns인 센서 네트워크에 대한 그래프 모델이다. r1 엣지는 실선으로 나타내었고 r2 엣지는 점선으로 나타내었다.A network of wireless sensors under these conditions is modeled with an undirected graph G = {V, E}, where V is a set of nodes and E is a set of undirected edges. Can be. Each node n represents a wireless sensor (V = {n 1 , n 2 , n 3 ,..., N N }). The terminal node is represented by n t , the set of transmitting nodes is represented by V s , and the set of intermediate nodes is represented by V i . Then V = V s ∪V i ∪ {n t }. Each edge e represents a viable communication link between a pair of sensor nodes. If the distance between nodes n u and n v is not greater than the transmission range r 1 , the non-directional edge e 1 {u, v} (or e 1 {v, u} ) is equal to nodes n u and n v It is formed between. If the distance between nodes n u and n v is greater than the transmission range r 1 and less than r 2 , the non-directional edge e 2 {u, v} (or e 2 {v, u} ) is equal to node n u . is formed between n v . edges formed for r 1 r 1 is called an edge formed on the edge r 2 r 2 is referred to as an edge. 1 is a graph model for a sensor network with V s = {n 1 , n 2 }, V i = {n 3 , n 4 , n 5 , n 6 , n 7 }, n t = n s . The r 1 edge is shown by the solid line and the r 2 edge is shown by the dotted line.

에너지의 고갈 없이 유지되어야 하는 연결 시간은 T로 나타낸다. 통신 거리 r1에 대한 전송 가능 패킷의 최대 커패시티(capacity)은 다음과 같이 계산될 수 있다.The connection time, which must be maintained without depletion of energy, is represented by T. The maximum capacity of the transmittable packet for the communication distance r 1 may be calculated as follows.

Figure 112010080551925-pat00001
Figure 112010080551925-pat00001

여기서, au는 노드 nu의 잔여 배터리량이고, bu는 nu의 기본 에너지 소모량이고, p1은 통신 거리 r1에서 패킷을 전송할 때의 에너지 소모율이다.Here, a u is the remaining battery amount of the node n u , b u is the basic energy consumption of n u , p 1 is the energy consumption rate when transmitting the packet at the communication distance r 1 .

마찬가지로, 통신 거리 r2에 대한 전송 가능 패킷의 최대 커패시티는 다음과 같다.Similarly, the maximum capacity of the transmittable packet for the communication distance r 2 is as follows.

Figure 112010080551925-pat00002
Figure 112010080551925-pat00002

여기서, p2는 통신 거리 r2에서 패킷을 전송할 때의 에너지 소모율이다.Here, p 2 is an energy consumption rate when transmitting a packet at a communication distance r 2 .

그러면, then,

Figure 112010080551925-pat00003
Figure 112010080551925-pat00003

여기서, α는 통신 거리 r1에 대한 통신 거리 r2의 전력 소비율의 정규화 상수(normalized constant)이다(

Figure 112010080551925-pat00004
). 도 1의 예에서 각 노드 nu 내부의 숫자는 통신 거리 r1에 대한 전송 가능 패킷의 최대 커패시티(capacity) C1 u를 나타낸다. 이와 같은 도 1의 그래프는 노드 커패시티 그래프(node capacity graph)이다.Here, α is a normalization constant (normalized constant) of the power consumption of the communication distance r 2 for the communication distance r 1 (
Figure 112010080551925-pat00004
). In the example of FIG. 1, the number inside each node n u indicates the maximum capacity C 1 u of the transmittable packet for the communication distance r 1 . Such a graph of FIG. 1 is a node capacity graph.

한편, 터미널 노드(terminal node)는 미리 각 노드의 잔여 에너지와 위치를 획득하고 있다. 터미널 노드는 송신 노드(sender node)로부터 자신까지의 라우팅 경로(routing path)를 계산하고 각각의 라우팅 경로의 전송율(transmission rate)을 계산한다. 계산된 라우팅 경로와 전송율은 모든 송신 노드들로 브로드캐스팅된다. 여기서 각 노드는 이웃 송신 노드의 수집 정보와 브로드캐스팅된 터미널 노드의 정보를 전송하기 위하여 잔여 에너지 일부를 예약해둔 것으로 가정한다.
On the other hand, the terminal node (terminal node) has previously obtained the remaining energy and position of each node. The terminal node calculates a routing path from the sender node to itself and calculates the transmission rate of each routing path. The calculated routing path and rate are broadcast to all transmitting nodes. In this case, it is assumed that each node reserves some of the remaining energy to transmit the collection information of the neighboring transmitting node and the information of the broadcast terminal node.

도 2는 이러한 전제 조건 하에서 형성되는 무선 센서 네트워크에서 연결 시간을 보장하면서 패킷을 전송하기 위한 본 발명에 의한 무선 센서 통신 방법의 일실시예를 나타낸 흐름도이다. 도 2의 흐름도는, 전술한 바와 같은 조건에 따라 구성되는 복수개의 무선 센서로 구성된 무선 센서 네트워크에서 연결시간을 보장하면서 패킷을 전송하기 위한 무선 센서 통신 방법을 나타낸 것이다.2 is a flowchart illustrating an embodiment of a wireless sensor communication method according to the present invention for transmitting a packet while guaranteeing connection time in a wireless sensor network formed under such a precondition. 2 is a flowchart illustrating a wireless sensor communication method for transmitting a packet while guaranteeing a connection time in a wireless sensor network including a plurality of wireless sensors configured according to the conditions described above.

도 2를 참조하면, 우선, 무선 센서 네트워크의 각각의 무선 센서들을 노드(node)로 하고, 서로 연결이 가능한 노드들 사이에서 통신 가능 거리(r1, r2,...,rk)에 기초한 경로를 rx 엣지(edge)로 하고, 각 노드들에 대해 통신 가능 패킷 수를 커패시티(capacity)로 하는 노드 커패시티 그래프를 형성한다(S100). 단계(S100)의 노드 커패시티 그래프는 예컨대 전술한 바와 같이 도 1과 같은 형태로 구성된다. 도 1에서는 2개의 통신 거리(r1,r2)인 경우에 대한 것이지만 통신 거리는 k개 존재할 수 있으며 이들 각각에 기초한 경로를 엣지로 하여 전술한 바와 마찬가지로 rx 엣지라고 한다.2, first, in each of the wireless sensors in a wireless sensor network node (node), the communicable distance between nodes connected to each other is possible, and (r 1, r 2, ... , r k) The node based path is set as the r x edge and a node capacity graph is formed in which the number of communicable packets is capacity for each node (S100). The node capacity graph of step S100 is configured as shown in FIG. 1 as described above, for example. In FIG. 1, the case of two communication distances r 1 and r 2 , but there may be k communication distances, is referred to as an r x edge as described above with an edge based on each of them as an edge.

다음으로, 상기 형성된 노드 커패시티 그래프를 엣지 커패시티 그래프로 변환한다(S110). 이는 후술하는 단계(S120)에서 사용되는 최대 흐름 알고리듬을 적용시키기 위한 것인데 최대 흐름 알고리듬은 엣지 커패시티 그래프에서 동작하도록 설계된 것이기 때문이다. 이러한 변환에 대한 구체적인 내용은 최대 흐름 알고리듬과 관련하여 이하에서 후술한다.Next, the formed node capacity graph is converted into an edge capacity graph (S110). This is to apply the maximum flow algorithm used in the step (S120) described later because the maximum flow algorithm is designed to operate on the edge capacity graph. Details of this conversion are described below with respect to the maximum flow algorithm.

다음으로, 상기 변환된 엣지 커패시티 그래프에서 r1 엣지만으로 구성된 그래프를 생성하고(S120), 상기 단계(S120)에서 생성된 그래프에 대하여 최대 흐름 알고리듬을 적용하여 송신 노드와 수신 노드들 사이의 가능한 모든 경로를 찾고 찾은 경로를 제거하여 잔여 그래프를 생성하고(S130), 상기 잔여 그래프에 대해서 송신 노드와 수신 노드들 사이를 연결하는 아직 사용하지 않은 rx 엣지를 통신 거리(r2,r3,...,rk) 순서로 찾고, 찾아진 rx 엣지의 시작 노드의 통신 가능 패킷수를 px 값에 따라 변경한다(S140). 그리고 나서, 상기 잔여 그래프에 대해서 다시 최대 흐름 알고리듬을 적용하여 송신 노드와 수신 노드들 사이의 가능한 모든 경로를 찾고 찾은 경로를 제거하여 다시 잔여 그래프를 생성한다(S150). 송신 노드와 수신 노드간을 연결하는 아직 사용하지 않은 엣지가 더 이상 없을 때까지 상기 단계(S140)와 단계(S150)를 반복한 후, 찾아진 송신 노드와 수신 노드간의 전체 경로 통신량을 산출한다(S160). 전체 경로 통신량이 산출되면 이를 주어진 통신 시간(T)로 나누면 단위 시간당 전송 패킷수가 되며 이 단위 시간당 전송 패킷수에 따라 송신 노드는 터미널 노드로 패킷을 전송함으로써 연결 시간을 보장하면서 무선 센서 노드들 사이에서 단위 시간당 전송되는 통신량을 최대화할 수 있게 된다.Next, a graph consisting of only r 1 edges is generated from the converted edge capacity graph (S120), and a maximum flow algorithm is applied to the graph generated in the step S120 to enable a potential between the transmitting node and the receiving nodes. After finding all paths and removing the found paths, a residual graph is generated (S130), and an unused r x edge which connects between the transmitting node and the receiving nodes with respect to the residual graph has a communication distance (r 2 , r 3 , ..., r k ) in order, and change the number of communicable packets of the start node of the found r x edge according to the value of p x (S140). Then, the maximum flow algorithm is applied to the residual graph again to find all possible paths between the transmitting node and the receiving nodes, and removes the found paths to generate the residual graph again (S150). After repeating steps S140 and S150 until there are no more unused edges connecting the transmitting node and the receiving node, the total path communication amount between the found transmitting node and the receiving node is calculated ( S160). Once the total path traffic is calculated, it is divided by the given communication time (T), and the number of packets transmitted per unit time is transmitted. According to the number of packets transmitted per unit time, the transmitting node transmits packets to the terminal node to guarantee connection time between wireless sensor nodes. It is possible to maximize the amount of communication transmitted per unit time.

상기 단계(S110) 내지 단계(S160)에서 사용되는 개념, 용어 및 구체적인 내용은 이하에서 상세하게 설명한다. Concepts, terms and specific details used in the steps S110 to S160 will be described in detail below.

우선, 상기 단계(S110)에서 노드 커패시티 그래프를 엣지 커패시티 그래프로 변환하는 이유는 상기 단계(S130,S150) 등에서와 같이 본 발명에서 사용되는 최대 흐름 알고리듬(maximum-flow algorithm)이 엣지 커패시티 그래프에서 동작하도록 설계된 것이기 때문인데, 우선 종래의 최대 흐름 알고리듬에 대해서 설명한다. First, in the step S110, the reason for converting the node capacity graph into the edge capacity graph is that the maximum flow algorithm used in the present invention as in the steps S130 and S150 is the edge capacity. This is because it is designed to operate on a graph. First, the conventional maximum flow algorithm will be described.

우선 아래의 정의 1.을 참조한다.
First, see definition 1.

정의 1.Definition 1.

주어진 방향성 그래프 G = (V,E)(소스 노드는 ns, 터미널 노드는 nt, 각 방향성 엣지 eu ,v ∈에 대한 커패시티 cu ,v ≥0 )에 대해서, f: E → R 를 다음을 만족하는 G의 엣지의 흐름(flow)이라고 한다.For a given directional graph G = (V, E) (source node is n s , terminal node is n t , and capacity c u , v ≥0 for each directional edge e u , v )), f: E → R Is the flow of the edge of G satisfying

0 ≤f(u,v)≤Cu ,v ∀nu, nv ∈ V (1)0 ≤f (u, v) ≤C u , v ∀n u , n v ∈ V (1)

Figure 112010080551925-pat00005
(2)
Figure 112010080551925-pat00005
(2)

커패시티 조건(capacity constraint)으로 알려진 상기 식 (1)은 엣지에서의 흐름(flow)에 의해 사용되는 리소스(resource)는 그 엣지의 커패시티를 초과할 수 없다는 것을 나타낸다. 흐름 보존 성질(flow conservation property)로 알려진 상기 식(2)는 하나의 노드로 들어가는 모든 흐름의 합(음 흐름(negative flow))은 그 노드를 떠나는 모든 흐름의 합(양 흐름(positive flow))과 같다는 것을 나타낸다. 흐름의 값은 ns를 떠나는 전체 흐름이며 nt로 들어가는 전체 흐름과 동일하다. f 값은 다음과 같이 정의된다.Equation (1), known as a capacity constraint, indicates that the resource used by the flow at an edge cannot exceed the capacity of that edge. Equation (2), known as flow conservation property, is the sum of all flows entering a node (negative flow) is the sum of all flows leaving that node (positive flow). It is equal to. The value of the flow is the total flow leaving n s and is equal to the total flow entering n t . The f value is defined as follows.

Figure 112010080551925-pat00006
Figure 112010080551925-pat00006

위와 같이 주어진 그래프 G에 대해 최대 흐름 알고리듬은 소스 노드 ns로부터 터미널 노드 nt까지의 최대 흐름 f(그 값이 최대인 흐름)를 찾는다. 최대-흐름 알고리듬의 구현에서는 아래와 같이 정의된 잔여 커패시티(residual capacity)와 잔여 그래프(residual graph)의 개념이 사용된다.
For the given graph G as above, the maximum flow algorithm finds the maximum flow f (the flow whose value is maximum) from the source node n s to the terminal node n t . In the implementation of the maximum-flow algorithm, the concept of residual capacity and residual graph defined as follows is used.

정의 2.Definition 2.

G에서의 흐름 f에 대해, f에 의해 유도되는 엣지 eu ,v의 잔여 커패시티는 cf u,v=cu,v - f(u,v)이고, f에 의해 유도되는 G의 잔여 그래프는 Gf = (V,Ef)(Ef = {eu,v : cf u ,v >0})이다.For flow f at G, the residual capacity of edge e u , v induced by f is c f u, v = c u, v -f (u, v), and the residual of G derived by f The graph is G f = (V, E f ) (E f = {e u, v : c f u , v > 0}).

도 3은 포드(Ford) 및 풀커슨(Fulkerson)에 의해 제안된 최대-흐름 알고리듬을 나타낸 것이다. 이 알고리듬은 최초의 빈 흐름(initial empty flow)를 생성한다. 이 알고리듬은 나머지 그래프 Gf의 ns에서 nt로의 경로(path)를 깊이-우선 탐색(depth-first search) 또는 폭-우선 탐색(depth-first search)를 이용하여 찾는다. 새롭게 찾아낸 경로는 흐름의 값을 증가시킨다. 경로는 양 잔여 커패시티(positive residual capacity)를 갖는 포워드 엣지(forward edge)(즉, eu ,v ∈ Ef) 뿐만 아니라, 음 잔여 커패시티(negative residual capacity)를 갖는 리버스 엣지(reverse edge)(즉, eu ,v ∈E 이며 f(u,v) >0인 ev ,u)도 포함한다. 이러한 f-증가 경로(f-increasing path)에서 포워드 엣지의 최소의 잔여 커패시티 값과 리버스 엣지의 현재의 흐름은 잔여 엣지 커패시티를 초과하지 않는 흐름의 증가량이 된다. 신규 경로에서의 리버스 엣지의 사용은 신규 경로는 흐름의 일부를 리버스 엣지의 기존 경로와 교체한다는 것을 의미한다. 이 알고리듬은 더 이상 f-증가 경로가 없을 때까지 잔여 그래프에서 신규 f-증가 경로를 탐색한다. Figure 3 shows the maximum-flow algorithm proposed by Ford and Fulkerson. This algorithm creates an initial empty flow. This algorithm finds the path from n s to n t of the remaining graph G f using a depth-first search or a depth-first search. The newly found path increases the value of the flow. The path not only has a forward edge with positive residual capacity (ie, e u , v ∈ E f ), but also a reverse edge with negative residual capacity. (I.e. e v , u with e u , v uE and f (u, v)> 0). In this f-increasing path, the minimum residual capacity value of the forward edge and the current flow of the reverse edge result in an increase in flow that does not exceed the residual edge capacity. The use of a reverse edge on a new path means that the new path replaces part of the flow with the existing path on the reverse edge. This algorithm searches for new f-growth paths in the residual graph until there are no more f-growth paths.

ns에서 nt로 f-증가 경로가 더 이상 없는 경우에는 탐색된 흐름 f는 최대라는 것이 증명되어 있다. 이 증명에서 아래와 같이 정의된 컷(cut)과 컷의 커패시티(capacity of cut)의 개념이 사용된다.
If there are no more f-increasing paths from n s to n t , the searched flow f is proved to be maximum. In this proof, the concepts of cut and capacity of cut defined below are used.

정의 3.Definition 3.

G의 컷(cut)이란 ns를 포함하는 노드들의 부분집합으로부터 nt를 포함하는 보집합(complementary subset)을 연결하는 방향성 엣지의 집합이다. 수식적으로는, 컷은 K={eu ,v:nu∈V′and nv∈V-V′}이다(여기서, ns∈V′이고 nt∈V-V′). 컷(K)의 커패시티(capacity)는 K의 엣지의 커패시티 합(∑eu ,v∈K Cu ,v)이다. ∑ew ,z∈K´cw ,z < ∑eu,v∈ Kcu ,v인 그래프 G에서 컷 K´가 존재하지 않는 경우 G의 컷(K)는 최소 컷(minimum cut)이라 한다.
A cut of G is a set of directional edges that connect a complementary subset containing n t from a subset of nodes containing n s . Formula is, K = {e u , v : n u ∈V'and n v ∈VV '}, where n s ∈V' and n t ∈VV '. The capacity of the cut K is the sum of the capacities of the edges of K (∑ eu , v∈K C u , v ). In the graph G where ∑ ew , z∈K´ c w , z <∑e u, v∈ K c u , v and there is no cut K´, the cut of G is called the minimum cut. .

다음의 성질(property) 1은 컷(K)의 엣지가 제거된 경우 ns에서 nt로 f-증가 경로가 존재하지 않음을 나타낸다. 컷 K의 각 eu ,v에 대해 f(u,v)=cu ,v일 때, ns에서 nt로의 모든 경로에 대해 min{cf u ,v}=0이기 때문에 f-증가 경로가 존재하지 않는다. 다음의 성질 2는 탐색된 흐름이 최소 컷의 커패시티보다 작은 경우 잔여 그래프에서 다른 f-증가 경로가 존재한다는 것을 나타낸다.
The following property 1 indicates that there is no f-increasing path from n s to n t when the edge of cut K is removed. For each e u , v of cut K, when f (u, v) = c u , v , the f -increasing path because min {c f u , v } = 0 for all paths from n s to n t Does not exist. The following property 2 indicates that there is another f-increasing path in the residual graph when the flow searched is less than the capacity of the minimum cut.

성질 1. Properties 1.

흐름의 값(value of flow)는 모든 컷의 커패시티보다 크지 않다.The value of flow is not greater than the capacity of all cuts.

성질 2.Property 2.

흐름의 최대값은 최소 컷의 커패시티와 동일하다.
The maximum value of the flow is equal to the capacity of the minimum cut.

이와 같은 종래의 최대 흐름 알고리듬은 엣지 커패서티 방향성 그래프(edge-capacity direced graph)에서 동작하도록 설계되었기 때문에 노드 커패서티 비방향성 그래프(node-capacity undirected graph)를 엣지 커패서티 방향성 그래프로 변환해야 한다(도 2의 단계(S110) 참조). 도 4는 노드 커패서티 비방향성 그래프를 엣지 커패서티 방향성 그래프로 변환하는 규칙을 나타낸 도면이다. Since this conventional maximum flow algorithm is designed to operate on an edge-capacity direced graph, it is necessary to convert a node-capacity undirected graph into an edge-capacity directional graph. See step S110 of FIG. 2). 4 is a diagram illustrating a rule for converting a node capacitive non-directional graph into an edge capacitive directional graph.

우선, 노드 커패시티 그래프의 각각의 노드 nx는 엣지 커패서티 그래프의 2개의 서브-노드, 즉, 수신-지향(receive-oriented) 서브-노드 nr x와 송신-지향(send-oriented) 서브-노드 ns x로 변환된다. 이들 2개의 서브-노드들은 nr x에서 ns x 방향으로 별도의 방향성 엣지 ex ,x로 연결된다. 내부 엣지(internal edge)라고 하는 이 엣지 ex ,x는 cx ,x = Cx인 엣지 커패서티를 갖는데, Cx는 노드 커패서티 그래프에서 기인하는 것이다. 노드 커패서티 그래프에서 nx와 ny 사이에서 각각의 비방향성 엣지 ex ,y=ey ,x는 도 4에 나타낸 바와 같이 엣지 커패시티 그래프에서 2개의 별도의 방향성 엣지 ex ,y와 ey ,x로 변환된다. 이들 2개의 엣지 ex ,y와 ey ,x는 외부 엣지(external edge)라고 하며 무한 엣지 커패시티를 갖는다.First, each node n x of the node capacity graph is divided into two sub-nodes of the edge capacity graph, that is, a receive-oriented sub-node n r x and a send-oriented sub. Convert to node n s x . These two sub-nodes are connected with separate directional edges e x , x in the direction of n r x to n s x . This edge, called the internal edge, e x , x has an edge capacitance with c x , x = C x , where C x comes from the node capacitance graph. Each non-directional edge e x , y = e y , x between n x and n y in the node capacity graph shows two separate directional edges e x , y and e in the edge capacity graph as shown in FIG. 4. is converted to y and x . These two edges e x , y and e y , x are called external edges and have infinite edge capacity.

각각의 x, y에 대해서 최초의 흐름(flow)는 0, 즉, fx ,x = 0, fx ,y = 0, fy ,x = 0 이다. 앞서 설명한 최대-흐름 알고리듬에서 새로운 f-증가 경로는 도 5에 나타낸 바와 같이 역방향(리버스 엣지) 상의 기존 경로(previous path)의 양 흐름(positive flow)이 존재하는 경우, 흐름(flow)을 기존 경로와 교체한다. 도 5의 예에서 기존 경로는 엣지 시퀀스 ew ,y, ey ,y, ey ,x, ex ,x, ex ,v를 통해 5 흐름을 전송한다. 신규 경로는 도 5의 좌측에 나타낸 바와 같이 엣지 시퀀스 eu ,x, ex ,x, ex ,y, ey,y, ey ,z을 통해 7 흐름을 전송한다. 그러면 도 5의 우측에 나타낸 바와 같이 신규 경로는 노드 nx 다음의 5 흐름을 노드 ny 다음의 기존 경로의 5 흐름으로 교체한 경우와 같게 된다. For each x, y the initial flow is 0, i.e., f x , x = 0, f x , y = 0, f y , x = 0. In the above-mentioned maximum-flow algorithm, the new f-increasing path is shown in FIG. 5, when there is a positive flow of the existing path on the reverse (reverse edge), the flow is replaced by the existing path. Replace with. In the example of FIG. 5, the existing path transmits 5 flows through an edge sequence e w , y , e y , y , e y , x , e x , x , e x , v . The new path transmits seven flows through the edge sequences e u , x , e x , x , e x , y , e y, y , e y , z as shown on the left side of FIG. 5. This new route as shown on the right side of Figure 5 are identical with those in the case, replace the flow of the node n 5 x 5, and then the flow of the node n y following the existing path.

새로운 f-증가 경로가 변환된 엣지 커패시티 방향성 그래프에서 발견되면 도 6에 나타낸 알고리듬은 잔여 커패시티와 엣지의 흐름값(flow value)를 업데이트한다. 신규 경로는 기존 경로가 신규 경로의 엣지 ex ,y의 역방향 엣지 ey ,x를 통해 흐름을 전송하는 경우, 흐름의 일부를 기존 경로와 교체한다. If a new f-increasing path is found in the transformed edge capacity directional graph, the algorithm shown in FIG. 6 updates the residual capacity and the flow value of the edge. The new path replaces a portion of the flow with the existing path when the existing path transmits the flow through the reverse edge e y , x of the edge e x , y of the new path.

도 7은 노드 커패시티 비방향성 그래프를 엣지 커패시티 방향성 그래프로 변환한 일예를 나타낸 도면이다. 최대 흐름 알고리듬은 단일 소스 노드와 단일 터미널 노드에 대해 동작하도록 설계되어 있으므로 가상의 소스 노드(virtual source node)가 추가되어 무한 커패시티 엣지를 갖는 복수개의 송신 노드와 연결되어 있다. 변환전의 노드 커패시티 비방향성 그래프는 변환후의 엣지 커패시티 방향성 그래프와 시맨틱적으로(semantically) 동등한 것이다. 주어진 노드 커패시티 비방향성 그래프에 대해서 그에 상응하여 가상의 소스 노드와 터미널 노드를 갖는 엣지 커패시티 방향성 그래프를 생성할 수 있다. 7 is a diagram illustrating an example of converting a node capacity non-directional graph into an edge capacity directional graph. Since the maximum flow algorithm is designed to operate on a single source node and a single terminal node, a virtual source node is added to connect to a plurality of transmitting nodes having an infinite capacity edge. The node capacity non-directional graph before the transformation is semantically equivalent to the edge capacity directional graph after the transformation. For a given node capacity non-directional graph, an edge capacity directional graph with virtual source and terminal nodes can be generated correspondingly.

이하에서는 설명의 단순화를 위해서 엣지 커패시티 방향성 그래프를 나타내지 않고 노드 커패시티 비방향성 그래프만을 나타낸다는 점을 유의해야 한다.
In the following description, for simplicity, it should be noted that only the node capacity non-directional graph is shown, not the edge capacity directional graph.

한편, 그래프 G가 r1 엣지만으로 구성된 경우, 송신 노드로부터 터미널 노드로 전송가능한 최대 패킷 수는 기존의 최대 흐름 알고리듬에 의해 탐색된 경로의 흐름값(flow value)과 동일하다. 그러나, 그래프 G가 r2 엣지를 포함하는 경우 전송가능한 패킷의 수는 사용되는 엣지의 종류에 의존하므로 최대 흐름 알고리듬은 전송가능한 최대 패킷 수를 결정할 수 없다. 따라서 2 종류 이상의 엣지를 갖는 그래프에서 최대 전송 가능한 패킷의 수를 갖는 경로를 탐색하기 위한 최대 흐름 알고리듬의 개선 방법이 필요하며, 본 발명은 이러한 최대 흐름 알고리듬 방법을 개선하여 상기 도 2에서와 같은 단계(S120) 내지 단계(S160)들을 수행하게 된다. 전술한 바와 같이 본 발명은 k개의 통신 거리(transmission range, r1, r2,...rk)를 갖는 센서 노드들에 대해서 적용할 수 있는 것이지만 이하에서는 설명의 단순화를 위하여 2개의 통신 거리(r1, r2)를 갖는 경우를 예로 들어서 설명하기로 한다.On the other hand, when the graph G consists of only the r 1 edge, the maximum number of packets that can be transmitted from the transmitting node to the terminal node is the same as the flow value of the path searched by the existing maximum flow algorithm. However, when the graph G includes r 2 edges, the maximum flow algorithm cannot determine the maximum number of packets that can be transmitted since the number of packets that can be transmitted depends on the type of edge used. Therefore, there is a need for a method of improving the maximum flow algorithm for searching for a path having the maximum number of packets that can be transmitted in a graph having two or more types of edges, and the present invention improves the maximum flow algorithm method as shown in FIG. Steps S120 to S160 are performed. As described above, the present invention is applicable to sensor nodes having k transmission ranges (r 1 , r 2 , ... r k ), but in the following, two communication distances are provided for simplicity. A case having (r 1 , r 2 ) will be described by way of example.

우선, 본 발명에 의하여 개선된 최대 흐름 알고리듬의 핵심은 가능한 많은 r1 엣지를 사용하여 전술한 최대 흐름 알고리듬에서 설명한 바와 같은 f-증가 경로(f-increasing path)를 찾는 것이다. r2 엣지는 r1 엣지만으로 구성된 f-증가 경로가 더 이상 존재하지 않는 경우에만 추가적인 f-증가 경로를 찾는데 사용된다. 첫번째 단계에서 본 개선 알고리듬은 주어진 그래프로부터 r1 엣지만을 이용(r2 엣지를 제외하고)하여 그래프를 생성한다(도 2의 단계(S120)에 해당). 두번째 단계에서, r1 엣지만으로 구성된 그래프에서 모든 f-증가 경로를 찾는다. 그러면 잔여 그래프에서 ns로부터 nt로의 나머지 경로가 존재하지 않는다(도 2의 단계(S130)에 해당). 세번째 단계에서, 잔여 그래프에서 ns로부터 nt로의 경로를 형성하는 r2 엣지를 찾는다. 찾아진 r2 엣지들은 나머지 그래프에 추가된다. 추가된 각 r2 엣지의 시작 노드의 잔여 커패시티는 하나의 r2 엣지를 사용할 때의 잔여 커패시티로 대치된다(도 2의 단계(S140)에 해당). 즉, 각각의 추가된 r2 엣지의 시작 노드의 Cf는 Cf/α로 대치된다(α는 r1의 에너지 소비율에 대한 r2의 에너지 소비율의 정규화 상수). 네번째 단계에서, 나머지 잔여 그래프에서 ns로부터 nt로의 새로운 경로를 형성하는 사용되지 않는 r2 엣지가 더이상 없을 때까지 상기 세번째 및 네번째 단계를 반복한다(도 2의 단계(S150) 및 단계(S160)에 해당).
First of all, the key to the maximum flow algorithm improved by the present invention is to find the f-increasing path as described in the maximum flow algorithm described above using as many r 1 edges as possible. The r 2 edge is used to find additional f-increment paths only if the f-increment path consisting of only r 1 edges no longer exists. The improvement algorithm seen in the first step generates a graph using only r 1 edges (except r 2 edges) from a given graph (corresponding to step S120 of FIG. 2). In the second step, we find all the f-increment paths in the graph consisting of only r 1 edges. Then there is no remaining path from n s to n t in the residual graph (corresponding to step S130 of FIG. 2). In the third step, find the r 2 edges that form the path from n s to n t in the residual graph. The found r 2 edges are added to the rest of the graph. The remaining capacity of the start node of each added r2 edge is replaced with the remaining capacity when using one r 2 edge (corresponding to step S140 of FIG. 2). That is, C f of the start node of each added r 2 edge is replaced by C f / α (α is the normalization constant of the energy consumption rate of r 2 with respect to the energy consumption rate of r 1 ). In the fourth step, the third and fourth steps are repeated until there are no longer unused r 2 edges forming a new path from n s to n t in the remaining residual graph (steps S150 and S160 of FIG. 2). )).

도 8은 본 발명에 의한 방법에 의한 동작 예를 나타낸 도면이다. 도 8의 예는, 설명의 편의를 위하여 2개의 통신 거리(r1, r2)를 갖는 경우에 대한 것이다.8 is a view showing an example of operation by the method according to the present invention. The example of FIG. 8 is for the case where it has two communication distances r1 and r2 for convenience of description.

우선, 도 8a의 그래프는 도 2의 단계(S100, S100)을 거쳐 형성된 상태이다. 다만, 전술한 바와 같이, 엣지 커패시티 그래프는 그에 상응하는 노드 커패시티 그래프가 존재하므로 도 8에서는 설명의 단순화를 위하여 노드 커패시티 그래프만으로 표현하였음을 유의하여야 한다. 도 8a의 그래프에서 ns=no, nt=n10, α=2이다.First, the graph of FIG. 8A is formed through the steps S100 and S100 of FIG. 2. However, as described above, since the edge capacity graph corresponding to the node capacity graph exists, it should be noted that in FIG. 8, only the node capacity graph is represented to simplify the description. In the graph of FIG. 8A, n s = n o , n t = n 10 , α = 2.

도 8b는 전술한 첫번째 단계(도 2의 단계(S120)에 해당)에서 생성된 r1 엣지만으로 구성된 그래프를 나타낸 것이다. 도 8b를 참조하면 r2 엣지는 제거된 상태에서 r1 엣지만으로 구성된 그래프임을 알 수 있으며, 두번째 단계에서 탐색된 f-증가 경로는 회색 화살표로 표시하였다. FIG. 8B illustrates a graph composed of only the r 1 edges generated in the first step (corresponding to step S120 of FIG. 2). Referring to FIG. 8B, it can be seen that the r2 edge is a graph composed of only the r1 edge in the removed state, and the f-increasing path found in the second step is indicated by a gray arrow.

도 8c는 두번째 단계 이후 획득된 잔여 그래프를 나타낸 것인데(도 2의 단계(S130)의 수행 이후의 잔여 그래프에 해당), n0로부터 n10으로 경로가 존재하지 않는다. 여기에서 0 잔여 커패시티를 갖는 노드들은 설명의 편의를 위하여 나타내지 않았다. FIG. 8C illustrates a residual graph obtained after the second step (corresponding to the residual graph after performing step S130 of FIG. 2), and there is no path from n 0 to n 10 . Nodes with zero residual capacity are not shown here for convenience of description.

도 8d는 세번째 및 네번째 단계의 결과를 나타낸 도면이다(도 2의 단계(S140) 및 단계(S150)에 해당). 세번째 단계에서 찾아진 r2 엣지들은 회색 점선으로 나타내었다. 도 8d에서, 추가된 엣지 e1 ,5와 e3 ,6의 시작 노드 n1과 n3의 Cf 1과 Cf 3은 각각 Cf 1/α과 Cf 3/α로 각각 대치되었음을 알 수 있다. 네번째 단계에서 찾은 f-증가 경로는 회색 화살표로 나타내었다. 회색 화살표 옆의 회색 숫자는 전송가능한 패킷의 숫자를 나타낸다. FIG. 8D shows the results of the third and fourth steps (corresponding to step S140 and step S150 of FIG. 2). The r 2 edges found in the third step are indicated by gray dotted lines. In Figure 8d, adding the edge e 1, 5, and e 3, the six starting node n 1 and n 3 of the C f 1 and C f 3 is seen that each replaced by a C f 1 / α and C f 3 / α, respectively Can be. The f-increasing path found in the fourth step is shown by the gray arrow. The gray number next to the gray arrow indicates the number of packets that can be transmitted.

도 8e는 네번째 단계 이후 획득된 잔여 그래프(residual graph)를 나타낸 것이고. 도 8f는 세번째 및 네번째 단계를 반복 수행한 결과를 나타낸 것으로서, e6,9는 새롭게 추가된 r2 엣지이고 Cf 6은 Cf 6/α로 대치되어 있음을 알 수 있다. 8E illustrates a residual graph obtained after the fourth step. Figure 8f is as showing a result of repeatedly performing the third and fourth steps, e 6,9 is newly added, and C f r 2 edge 6 it can be seen that it is replaced with a C 6 f / α.

도 8g는 세번째 및 네번째 단계를 반복 수행한 후 획득된 잔여 그래프를 나타낸 것으로서, 여기에서 n0으로부터 n10으로의 신규 경로가 형성된 r2 엣지가 더 이상 존재하지 않는다. 도 8f 및 도 8g를 거친 상태는 도 2의 단계(S160)에서 미사용 엣지가 없을 때까지 도 2의 단계(S140) 및 단계(S150)을 수행하는 것에 상당한다.8G shows the residual graph obtained after repeating the third and fourth steps, where there is no longer an r 2 edge with a new path from n 0 to n 10 . 8F and 8G correspond to performing step S140 and step S150 of FIG. 2 until there is no unused edge in step S160 of FIG.

도 8h는 이러한 알고리듬에 의해 탐색된 모든 경로에서의 전송가능 패킷의 수를 나타낸 것으로서, 도 8h에서 회색 화살표 옆에 나타난 회색 숫자로 표시되었다. 이러한 전송 가능 패킷의 수를 전체 경로에 대해서 구하면 소스 노드에서 터미널 노드로의 전체 경로 통신량을 산출할 수 있게 되고(도 2의 단계(S160)), 이 전체 경로 통신량을 주어진 통신 시간(T)로 나누면 단위시간당 전송 패킷수를 산출할 수 있게 된다. 이에 의하여, 복수개의 센서 노드로 구성된 무선 센서 네트워크에서 연결 시간을 보장하면서 단위 시간당 전송할 수 있는 패킷의 수를 최대화할 수 있게 된다. FIG. 8H shows the number of transmittable packets in all paths searched by this algorithm, which is indicated by the gray number shown next to the gray arrow in FIG. 8H. If the number of such transportable packets is obtained for the entire path, the total path traffic from the source node to the terminal node can be calculated (step S160 in FIG. 2), and the total path traffic is given to the given communication time T. When divided, the number of transmission packets per unit time can be calculated. Accordingly, it is possible to maximize the number of packets that can be transmitted per unit time while ensuring a connection time in a wireless sensor network composed of a plurality of sensor nodes.

한편, 도 8i는 최소 컷(minimum cut)을 나타낸 것으로서, 이에 의하여 전송가능한 패킷의 수는 탐색된 경로에서 전송되는 패킷의 수와 동일함을 알 수 있다. 컷은 n1, n4, n3으로 구성된다. Meanwhile, FIG. 8I shows a minimum cut, whereby the number of packets that can be transmitted is equal to the number of packets that are transmitted on the searched path. The cut consists of n 1 , n 4 , n 3 .

다음의 수도-코드(pseudo-code)는 도 8의 예를 나타낸 것으로서 최대-패킷 알고리듬(maximum-packets algorithm)이라 한다.The following pseudo-code is an example of FIG. 8 and is called a maximum-packets algorithm.

단계 1 : 주어진 그래프에서 r1 엣지만으로 구성되는 그래프를 생성한다.Step 1: Create a graph consisting of only r 1 edges in a given graph.

단계 2 : 단계 1에서 생성된 그래프에 f-증가 경로가 존재하지 않을 때까지 최대 경로 알고리듬을 적용한다. Step 2: Apply the maximum path algorithm until there is no f-increasing path in the graph created in step 1.

단계 3 : 잔여 그래프의 ns에서 nt로의 경로를 형성하는 r2 엣지를 찾는다. 추가된 r2 엣지 각각의 시작 노드의 잔여 커패시티 Cf u를 r2 엣지를 사용할 때의 잔여 커패시티 Cf u/α로 대치한다. Step 3: Find the r 2 edges that form the path from n s to n t of the residual graph. It replaces the added edge r 2 remaining capacity of each starting node C f u as a residual capacity C f u / α r 2 When Using the edge.

단계 4 : 최대 흐름 알고리듬을 추가된 r2 엣지를 갖는 잔여 그래프에 대해 적용한다. Step 4: Apply the maximum flow algorithm to the residual graph with the added r 2 edges.

단계 5 : 잔여 그래프의 ns로부터 nt로의 경로를 형성하는 사용되지 않는 r2 엣지가 더 이상 존재하지 않을 때까지 상기 단계 3과 4를 반복한다.Step 5: Repeat steps 3 and 4 above until there are no longer unused r 2 edges forming a path from n s to n t of the residual graph.

전술한 바와 같이, 이러한 단계 1 내지 단계 5를 k개의 통신 거리를 갖는 센서 네트워크에 적용시킬 수 있는데, 도 2에서 설명한 바와 같이 아직 사용하지 않은 엣지를 r2, r3, ...., rk 순서대로 찾으면서 찾은 rx 엣지의 시작 노드의 잔여 통신량을 변경하면서 최대 흐름 알고리듬을 반복 적용하게 되면 2개의 통신 거리를 갖는 경우 뿐 아니라 도 2에서와 같이 k개의 통신 거리를 갖는 네트워크에도 적용할 수 있게 된다. As described above, this step 1 to step 5 can be applied to a sensor network having k communication distances, and as described in FIG. 2, edges not yet used are r 2 , r 3 , ...., r Repeated application of the maximum flow algorithm while changing the remaining traffic of the starting node at the r x edges found in order of k will not only apply to the two communication distances but also to networks with k communication distances as shown in FIG. It becomes possible.

이상에서 설명한 본 발명은 주어진 에너지 용량 조건 하에서 에너지 고갈에 의한 통신 장애 없이 주어진 시간 동안 다수의 송신 노드가 터미널 노드와 통신할 수 있는 방법을 제시한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 주어진 통신 시간 동안의 연결 시간을 보장하면서 무선 센서 네트워크에서 패킷 통신량을 최대화할 수 있는 방법을 제공할 수 있게 된다.
The present invention described above proposes a method in which a plurality of transmitting nodes can communicate with a terminal node for a given time without a communication obstacle due to energy depletion under a given energy capacity condition. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a method for maximizing packet communication in a wireless sensor network while ensuring connection time for a given communication time.

Claims (5)

복수개의 무선 센서로 구성된 무선 센서 네트워크에서 연결시간을 보장하면서 패킷을 전송하기 위한 무선 센서 통신 방법에 있어서,
상기 무선 센서 네트워크의 각각의 무선 센서들을 노드로 하고, 서로 연결이 가능한 노드들 사이에서 k개의 통신 거리(r1, r2,...,rk)(여기서, k개의 통신 거리(r1, r2,...,rk)는 r1<r2<...<rk이고, 각각의 통신 거리(r1, r2,...,rk)에서 패킷을 전송할 때의 에너지 소모율(p1,p2,p3,....,pk)는 p1<p2<p3.....<pk임) 각각에 기초한 경로를 rx 엣지(여기서, 1≤x≤k의 자연수임)로 하고, 각 노드들에 대해 통신 가능 패킷 수를 커패시티로 하는 노드 커패시티 그래프를 형성하는 제1 단계;
상기 형성된 노드 커패시티 그래프를 엣지 커패시티 그래프로 변환하는 제2 단계;
상기 엣지 커패시티 그래프에서 r1 엣지만으로 구성된 그래프를 생성하는 제3 단계;
상기 제3 단계에서 생성된 그래프에 대하여 최대 흐름 알고리듬을 적용하여 송신 노드와 수신 노드들 사이의 가능한 모든 경로를 찾고 찾은 경로를 제거하여 잔여 그래프를 생성하는 제4 단계;
상기 잔여 그래프에 대해서 송신 노드와 수신 노드들 사이를 연결하는 아직 사용하지 않은 rx 엣지를 통신 거리(r2,r3,...,rk) 순서로 찾고, 찾아진 rx 엣지의 시작 노드의 통신 가능 패킷수를 px 값에 따라 변경하는 제5 단계-여기서, px는 통신 거리 rx에서 패킷을 전송할 때의 에너지 소모율임-;
상기 잔여 그래프에 대해서 다시 최대 흐름 알고리듬을 적용하여 송신 노드와 수신 노드들 사이의 가능한 모든 경로를 찾고 찾은 경로를 제거하여 다시 잔여 그래프를 생성하는 제6 단계; 및
송신 노드와 수신 노드간을 연결하는 아직 사용하지 않은 엣지가 더 이상 없을 때까지 상기 제5 단계와 제6 단계를 반복한 후, 찾아진 송신 노드와 수신 노드간의 전체 경로 통신량을 산출하는 제7 단계
를 포함하고,
상기 제7 단계 이후, 상기 전체 경로 통신량을 주어진 통신 시간(T)로 나눔으로써 단위 시간당 전송 패킷수를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연결시간 보장 무선 센서 통신 방법.
In the wireless sensor communication method for transmitting a packet while guaranteeing a connection time in a wireless sensor network consisting of a plurality of wireless sensors,
K wireless communication distances r 1 , r 2 ,..., R k between the wireless sensors in the wireless sensor network as nodes, and which can be connected to each other, where k communication distances r 1 , r 2 , ..., r k ) is r 1 <r 2 <... <r k , and the packet is transmitted at each communication distance (r 1 , r 2 , ..., r k ) The energy consumption rates (p 1 , p 2 , p 3 , ...., p k ) are r x edges, where p 1 <p 2 <p 3 ..... <p k ) Forming a node capacity graph for which the number of communicable packets is the capacity for each node;
Converting the formed node capacity graph into an edge capacity graph;
Generating a graph consisting of only r 1 edges from the edge capacity graph;
A fourth step of applying the maximum flow algorithm to the graph generated in the third step to find all possible paths between the transmitting node and the receiving node and removing the found paths to generate a residual graph;
For the remaining graph, the unused r x edges connecting between the transmitting node and the receiving nodes are found in the order of communication distance (r 2 , r 3 , ..., r k ), and the start of the found r x edge a fifth step of changing in accordance with the number of the communicable nodes in packets of p x values, where, p x is being energy consumption when transmitting a packet in a communication distance r x -;
A sixth step of applying the maximum flow algorithm to the residual graph again to find all possible paths between the transmitting node and the receiving nodes, and removing the found paths to generate the residual graph again; And
A seventh step of repeating the fifth and sixth steps until there are no more unused edges connecting the transmitting node and the receiving node, and then calculating the total path communication volume between the found transmitting node and the receiving node;
Including,
And after the seventh step, calculating the number of transmission packets per unit time by dividing the total path communication amount by a given communication time (T).
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제4 단계에서 찾은 경로를 제거한 경우 상기 송신 노드와 수신 노드는 단절되는 것을 특징으로 하는 연결시간 보장 무선 센서 통신 방법.
The method of claim 1,
If the path found in step 4 is removed, the transmitting node and the receiving node are disconnected.
제1항에 있어서,
상기 제5 단계에서 상기 변경되는 통신 가능 패킷수(Cf)는 Cf/α(여기서, α는 rx -1의 에너지 소비율에 대한 rx의 에너지 소비율의 정규화 상수임)에 의하여 변경되는 것을 특징으로 하는 연결시간 보장 무선 센서 통신 방법.
The method of claim 1,
In the fifth step, the changed number of communicable packets C f is changed by C f / α, where α is a normalization constant of the energy consumption rate of r x with respect to the energy consumption rate of r x −1 . Connection time guarantee wireless sensor communication method.
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